CN106357259B - 用于电容性逼近检测的传感器装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电容性逼近检测的传感器装置及方法。该装置包括：电极系统，电极系统包括：第一发射电极及第一接收电极，其中可使第一发射电极与第一接收电极电容性耦合；以及‑第二发射电极及第二接收电极，其中可使第二发射电极与第二接收电极电容性耦合；‑信号产生器，其用于给第一发射电极馈送第一电交变信号且给第二发射电极馈送第二电交变信号；及‑信号处理装置，其与第一接收电极且与第二接收电极耦合，且其适于从在第一接收电极处分接的第一电值与在第二接收电极处分接的第二电值之间的差形成第一测量变量。本发明还涉及一种用于借助根据本发明的电容性传感器装置对物件进行逼近检测的方法。

Description

用于电容性逼近检测的传感器装置及方法
本申请是下述申请的分案申请：
发明名称：用于电容性逼近检测的传感器装置及方法
申请号：201280006242.0
申请日：2012年1月3日
技术领域
本发明涉及一种用于检测物件到传感器装置的传感器电极的接近的电容性传感器装置以及一种用于借助于根据本发明的电容性传感器装置对物件进行逼近检测的方法。此外，本发明涉及一种适于执行根据本发明的方法的具有根据本发明的电容性传感器装置的电装置、尤其是电手持式装置。
背景技术
在电容性距离或近接传感器中，通过产生并测量电交变场而在不接触的情况下测量传感器与导电物件之间的距离。可从测量信号导出功能，举例来说，切换功能。
从现有技术已知的电容性传感器的缺点是，其可能受来自电容性传感器或电容性传感器的传感器电极的环境的干扰电场的影响，此可对测量的结果具有负面影响。另一缺点在于以下事实：测量信号一方面取决于电容性传感器的接地条件且另一方面取决于接近电容性传感器的物件的接地条件。如果电容性传感器或物件的具体接地条件未知，那么无法保证对传感器电极与物件之间的距离或物件到电容性传感器的传感器电极的接近的正确测量。
为了在不接触的情况下检测物件的距离或逼近，从现有技术已知在信号产生与测量的方式以及必需传感器电极的数目上变化的各种原理。
从现有技术已知的用于电容性距离或逼近检测的第一原理提供具有仅一个电极的电容性距离传感器的使用。在此测量系统中，测量电极相对于电容性距离传感器的测量电子装置的接地电位的电容。如果物件(举例来说，用户)接近传感器电极，那么传感器电极处的电容增加，可相应地对此增加进行测量及评估。
另一测量系统提供具有两个传感器电极的电容性距离或近接传感器。一个传感器电极作为发射电极操作且另一传感器电极作为接收电极操作。在发射电极处发出的电交变场耦合到接收电极中且借助于在接收电极处分接的电信号来测量。在用户接近传感器电极的情况中，在发射电极与接收电极之间形成的交变电场改变，可相应地对此改变进行测量及评估。
从现有技术已知的又一测量系统提供具有三个传感器电极的电容性传感器。此处，两个电极作为发射电极操作且第三个电极作为接收电极操作。同相或反相地控制发射电极。在接收电极处，测量在发射电极处发出的交变电场的和。在用户接近的情况中，由在发射电极处发出的电交变场产生的耦合到接收电极中的交变电场改变。可相应地评估耦合到接收电极中的交变电场的改变。
从现有技术已知的三种测量原理共同地具有两个已提及的问题，即，测量信号
-可受外部干扰电场的扰动，及/或
-取决于传感器电子装置及/或接近传感器电极的物件的接地如何。
在目前工艺水平中，人们试图通过适当措施来减少这些问题，举例来说，通过
-对测量信号的模拟或数字滤波，及/或
-对测量瞬间的适当选择及/或对测量循环的适当选择，及/或
-处理额外信息及/或评估工作条件。
然而，这些措施需要测量电子装置的增加的且因此复杂的电路花费，此对电容性传感器元件的生产及生产成本具有负面影响。此外，通过这些措施，仅减少传感器电子装置或接近传感器电极的物件的外部干扰场或接地条件对测量信号的影响，使得无法保证对测量信号的正确评估。
发明内容
本发明的目标
本发明的目标是提供一种电容性传感器装置及一种用于电容性逼近检测的方法，其至少部分地避免从现有技术已知的缺点，且借助所述装置及方法可显著地增加传感器功能的可靠性及稳健性且可扩展电容性传感器装置的应用领域。
根据本发明的解决方案
根据本发明，此目标通过根据独立技术方案的一种电容性传感器装置及一种用于对物件进行逼近检测的方法来实现。在相应的附属技术方案中指示了本发明的有利实施例及改进。解决方案的一部分还为呈现根据本发明的电容性传感器装置的电装置。
因此，所述解决方案提供一种电容性传感器装置，其包括
-电极系统，其具有
-第一发射电极及第一接收电极，其中可使所述第一发射电极与所述第一接收电极电容性耦合，以及
-第二发射电极及第二接收电极，其中可使所述第二发射电极与所述第二接收电极电容性耦合，
-信号发射器，其用于给所述第一发射电极馈送第一电交变信号且给所述第二发射电极馈送第二电交变信号，及
-信号处理装置，其与所述第一接收电极且与所述第二接收电极耦合，且其适于从在所述第一接收电极处分接的第一电值与在所述第二接收电极处分接的第二电值之间的差形成第一测量变量。
此外，所述信号处理装置可适于从所述第一电值与所述第二电值的和形成第二测量变量。
所述第一电交变信号的AC电压分量可与所述第二电交变信号的AC电压分量相反。
所述传感器装置可进一步包含评估装置，可将所述第一测量变量及/或所述第二测量变量馈送到所述评估装置，且所述评估装置适于从所述第一测量变量及/或从所述第二测量变量导出信息信号。
优选地，所述电极彼此以一方式布置使得
-在所述第一发射电极处发出的交变电场大致仅耦合到所述第一接收电极中，且
-在所述第二发射电极处发出的交变电场大致仅耦合到所述第二接收电极中。
所述电极可彼此以一方式布置使得所述第二测量变量
-在物件对由所述电极形成的电容无影响时，或
-在大致类似影响的情况中
大致为零。
所述第一电值及所述第二电值可包含耦合到所述相应接收电极(Rx-、Rx+)中的电流或在所述相应接收电极(Rx-、Rx+)处产生的电压。
还提供一种用于对物件进行逼近检测的方法，其包括至少以下步骤：
-给第一发射电极馈送第一电交变信号且给第二发射电极馈送第二电交变信号，使得在所述第一发射电极与第一接收电极之间形成第一交变电场，且在所述第二发射电极与第二接收电极之间形成第二交变电场，
-在所述第一接收电极处分接第一电值，且在所述第二接收电极处分接第二电值，及
-通过形成所述第一电值与所述第二电值之间的差而产生第一测量变量。
优选地，可从所述第一电值与所述第二电值的和形成第二测量变量。
可以一方式选择所述电交变信号使得所述第一电交变信号的AC电压分量与所述第二电交变信号的AC电压分量相反。
以下各项为有利的：所述电极彼此以一方式布置使得
-所述第一交变电场大致仅耦合到所述第一接收电极中，且
-所述第二交变电场大致仅耦合到所述第二接收电极中。
此外，提供一种呈现根据本发明的电容性传感器装置的电装置，尤其是电手持式装置。
所述电手持式装置可为智能电话、双向无线电装置、计算机鼠标、遥控装置、数码相机、游戏控制器、PDA、平板PC、助听器或类似装置。
附图说明
结合图式由以下描述得出本发明的进一步细节及特性以及本发明的具体实施例。所述图展示：
图1根据本发明的电容性传感器装置的电路原理图；
图2在物件接近电容性传感器装置的传感器电极的情况中所述传感器装置的有效耦合电容；
图3电手持式装置(举例来说，移动电话)处的根据本发明的电容性传感器装置的电极布置；及
图4助听器的外壳上的根据本发明的电容性传感器装置的传感器电极的布置。
具体实施方式
图1展示根据本发明的传感器装置的电路原理图。电容性传感器装置呈现电极系统，所述电极系统呈现四个电极。所述四个电极包含两个发射电极Tx+及Tx-以及两个接收电极Rx+及Rx-，其中第一发射电极Tx+与第一接收电极Rx+交互作用，且其中第二发射电极Tx-与第二接收电极Rx-交互作用。
给发射电极Tx+及Tx-各自馈送一电信号，其中在第一发射电极Tx+处收入的信号的AC电压分量与在第二发射电极Tx-处收入的AC电压分量信号相反。第一发射电极Tx+及第一接收电极Rx+以一方式朝向彼此布置使得可在其之间产生电容性交变电场。第二发射电极Tx-及第二接收电极Rx-也以一方式朝向彼此布置使得也可在其之间产生交变电场。
在接收电极Rx+及Rx-各自处分接一电信号，将所述电信号馈送到信号处理装置S。信号处理装置S可形成为差分放大器且其测量耦合到接收电极Rx+及Rx-中的电流或在接收电极Rx+及Rx-处产生的电压并形成两个值的差。通过形成在接收电极处分接的电信号的差，有效地减少或优选地甚至消除外部干扰电场的扰动。所述电极优选地以一方式彼此布置使得在第一发射电极Tx+与第一接收电极Rx+之间形成的交变电场大致不影响在第二发射电极Tx-与第二接收电极Rx-之间形成的交变电场。此意味着，第一接收电极Rx+大致测量在第一发射电极Tx+处发出的交变电场且第二接收器电极Rx-大致测量在第二发射电极Tx-处发出的交变电场。
此外，发射电极Tx+及Tx各自与图1中未展示的信号产生器耦合，所述信号产生器提供各自被馈送到一个发射电极的两个信号。由信号产生器提供的第一信号的AC电压分量与由信号产生器提供的第二信号的AC电压分量相反。因此，第一信号与第二信号的AC电压分量的和为零。
此外，信号处理装置可适于测量在接收电极Rx+及Rx-中耦合的电流或在接收电极Rx+及Rx-处产生的电压且形成两个值的和。
在本发明的一个实施例中，以一方式选择所述电极或在发射电极处收入的信号使得第一发射电极Tx+与第一接收电极Rx+之间的耦合和第二发射电极Tx-与第二接收电极Rx-之间的耦合一样大。在此配置中，在评估复合信号时，可导出以下信息：
-当无物件接近传感器电极时，所接收信号的和为零。
-如果物件以一方式接近传感器电极使得其类似地或等同地影响第一发射电极Tx+与第一接收电极Rx+之间或第二发射电极Tx-与第二接收电极Rx之间的交变电场，那么接收信号的和为零。
举例来说，如果与电极对称地定向的物件均匀地接近两个电极对Tx+、Rx+或Tx-、Rx，那么情况可为如此。
-如果物件以一方式接近传感器电极使得其不均匀地影响第一发射电极Tx+与第一接收电极Rx+之间或第二发射电极Tx-与第二接收电极Rx之间的交变电场，那么接收信号的和不等于零。举例来说，如果物件不均匀地或不对称地接近传感器电极，那么情况可为如此。复合信号的定相指示不对称性是更多地朝向第一电极对Tx+、Rx+还是更多地朝向第二电极对Tx-、Rx-。复合信号的振幅指示所述不对称性朝向第一电极对Tx+、Rx+或第二电极对Tx-、Rx-有多远。
举例来说，关于复合信号的相位及/或振幅的信息可用于产生具有若干个根据本发明的传感器装置的滑动控制件(滑块)。
电容性传感器装置的图1中所展示的根据本发明的配置具有以下优点：对测量物件到传感器装置的接近的检测或测量与外部干扰场无关且与接近物件或测量电子装置的接地条件无关。
通过形成在接收电极Rx+及Rx-处分接的电信号的差，大大地消除了类似地影响Rx+及Rx-的外部干扰信号，因为外部干扰信号类似地影响在接收电极Rx+及Rx-处分接的电信号。通过在接收电极处分接的电信号的差形成而形成的测量信号中不再含有干扰信号。
然而，在实践中，对干扰信号的完全消除事实上将始终不可能，因为耦合将始终不能理想地类似且测量系统中的差形成及信号处理也无法始终为理想的。然而，通过由接收电极处的信号的差形成产生的测量信号与测量信号中的干扰信号的最宽可能消除的加倍，显著地增加有用信号与干扰信号之间的距离，使得可忽略测量信号中的干扰信号的可能仍存在的极小部分，而大致不影响电容性传感器装置的可靠性及稳定性。
在发射电极彼此经相反控制(即，给第一发射电极馈送与馈送到第二发射电极的交变信号相反的电交变信号)时，Tx++Tx-＝0适用。
如果使导电物件(举例来说，手或手指)以一方式接近传感器使得导电物件与第一发射电极Tx+及第二发射电极Tx-之间的耦合相同，那么影响(即，物件上的电流或电压耦合)也为零，即，不存在。如果不存在电流或电压耦合，那么用户及传感器电子装置或测量电子装置的接地也不显著或可忽略。图2中图解说明在导电物件接近电容性传感器装置的传感器电极的情况中的有效耦合电容。
同时且与此耦合无关地，接近传感器电极的导电物件影响发射电极Tx+及Tx-与接收电极Rx+及Rx-之间的电容性耦合。因此，完全满足电容性传感器装置的传感器功能，而接近物件或测量电子装置的接地条件大致不影响测量信号。以此方式，极大地改进了传感器功能或电容性传感器的可靠性。
在导电物件与第一发射电极Tx+及第二发射电极Tx-的相同耦合的情况中，导电物件与第一发射电极Tx+之间的电容性位移电流将和导电物件与第二发射电极Tx-之间的电容性位移电流相反。因此，导电物件上的位移电流的和等于零。此意味着，电流不必经由接地电容离开导电物件，而此意味着导电物件的接地电容对测量信号无影响。
此外，在导电物件与第一发射电极Tx+及第二发射电极Tx-的相同耦合的情况中，导电物件不存在潜在移位。因此，可将物件视为虚拟接地的。此意味着，电流不必经由接地电容离开物件，此又意味着物件的接地电容对测量信号无影响。
与从现有技术已知的电容性传感器装置相比具有差分结构的根据本发明的电容性传感器呈现极大改进的性质，尤其关于：
-对外部干扰电场的抵抗，及/或
-与接近传感器装置的导电物件的接地条件及/或与测量电子装置的无关性。
图3展示电装置(举例来说，电手持式装置)的外壳G。
此处，示意性地图解说明两个电极对，其中第一电极对布置于左外壳壁上且第二电极对布置于右外壳壁上。第一电极对包括第一发射电极Tx+及第一接收器电极Rx+。第二电极对包括第二发射电极Tx-及第二接收器电极Rx-。此处，以一方式选择电极对相对于彼此的布置使得可通过第一接收器电极Rx+大致测量或评估第一发射电极Tx+与第一接收器电极Rx+之间的交变电场，且可经由第二接收器电极Rx-大致测量或评估第二发射电极Tx-与第二接收器电极Rx-之间的交变电场。此外，如图3中所展示，两个电极对相对于彼此的布置保证所述交变电场大致不彼此影响。此意味着，在第一发射电极Tx+处发出的交变电场大致仅耦合到第一接收器电极Rx+中且在第二发射电极Tx-处发出的交变电场大致仅耦合到第二接收器电极Rx-中。
如果用户用一只手抓握电手持式装置G，那么左电极对中的电极及右电极对中的电极至少部分地被所述手覆盖。此引起，第一发射电极Tx+的交变电场的一部分经由手耦合到第一接收器电极Rx+中且在第二发射电极Tx-处发出的交变电场的一部分经由手耦合到第二接收电极Rx-中。通过形成在两个接收器电极Rx+或Rx-处分接的电信号的差，有效地消除用户或测量电子装置的接地的影响使得仅在相应发射电极Tx+或Tx-处有效地发出的交变电场进入测量信号。
此外，通过对在接收电极Rx+及Rx-处分接的电信号的总计，可检查是否以一方式真实地抓握电手持式装置使得抓握手持式装置G的手真实至少部分地覆盖两个电极对。如果在接收电极Rx+及Rx-处分接的两个电信号的和为零或接近零，那么可假定电手持式装置真实地由手抓握。出于此目的，可预见阈值。如果在接收器电极处分接的电信号的和小于阈值，那么可假定对手持式装置的抓握。优选地，此阈值为可调整的。
图4展示助听器的壳体G。
在此实例中，电容性传感器装置的传感器电极并排布置，而接收电极Rx+及Rx-分别布置于发射电极Tx+与Tx-之间。以一方式调适在相应发射电极Tx+及Tx-处收入的电交变信号使得在发射电极Tx+处发出的交变电场大致仅耦合到接收电极Rx+中且在发射电极Tx-处发出的交变电场大致仅耦合到接收电极Rx-中。

Claims (14)

1.一种电容性传感器装置，其包括
电极系统，其包括
第一发射电极及第一接收电极，其中所述第一发射电极与所述第一接收电极电容性耦合，以及
第二发射电极及第二接收电极，其中所述第二发射电极与所述第二接收电极电容性耦合，
信号产生器，其用于给所述第一发射电极馈送第一电交变信号，且给所述第二发射电极馈送第二电交变信号，及
信号处理装置，其与所述第一接收电极且与所述第二接收电极耦合，且其适于从在所述第一接收电极处分接的第一电值与在所述第二接收电极处分接的第二电值之间的差形成第一测量变量，
其中，所述第一电交变信号的AC电压分量与所述第二电交变信号的AC电压分量相反，
且其中所述信号处理装置进一步适于从所述第一电值与所述第二电值的和形成第二测量变量。
2.根据前述权利要求1所述的传感器装置，其进一步包括评估装置，可将所述第一测量变量和第二测量变量馈送到所述评估装置，且所述评估装置适于从所述第一测量变量和第二测量变量导出信息信号。
3.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述第一发射和接收电极布置于装置外壳的左侧，且所述第二发射和接收电极布置于装置外壳的右侧，且所述第一发射和接收电极与所述第二发射和接收电极互相平行地延伸，其中每一电极形成细长带条。
4.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述电极彼此以一方式布置使得在所述第一发射电极处发出的交变电场大致仅耦合到所述第一接收电极中，且在所述第二发射电极处发出的交变电场大致仅耦合到所述第二接收电极中。
5.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述电极彼此在空间上分离，使得所述第二测量变量不受在由所述电极形成的电容上的物件的影响。
6.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述电极彼此在空间上分离，使得所述第二测量变量在以下情况中大致为零：物件以一方式接近所述第一发射电极和所述第一接收电极以及接近所述第二发射电极和所述第二接收电极，该方式使得所述物件类似地或等同地影响所述第一发射电极与所述第一接收电极之间或所述第二发射电极与所述第二接收电极之间的交变电场。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的传感器装置，其中所述第一电值及所述第二电值包括耦合到所述相应接收电极中的电流或在所述相应接收电极处产生的电压。
8.一种用于对物件进行逼近检测的方法，其包括至少以下步骤：
将第一电交变信号施加于第一发射电极且将第二电交变信号施加于第二发射电极，使得在所述第一发射电极与第一接收电极之间形成第一交变电场，且在所述第二发射电极与第二接收电极之间形成第二交变电场，其中以一方式选择所述电交变信号，使得所述第一电交变信号的AC电压分量与所述第二电交变信号的AC电压分量相反，
在所述第一接收电极处接收第一电值，且在所述第二接收电极处分接第二电值，及
通过形成所述第一电值与所述第二电值之间的差而产生第一测量变量，及
通过形成所述第一电值与所述第二电值之间的和而产生第二测量变量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述电极(Tx+、Rx+、Tx-、Rx-)彼此以一方式布置使得
所述第一交变电场大致仅耦合到所述第一接收电极中，且
所述第二交变电场大致仅耦合到所述第二接收电极中。
10.一种具有根据权利要求1到7中任一权利要求所述的电容性传感器装置的电装置。
11.根据权利要求10所述的电装置，其中所述电装置为电手持式装置。
12.根据权利要求10所述的电装置，其中第一电极对布置于左外壳壁上且第二电极对布置于右外壳壁上，其中所述第一电极对包括所述第一发射电极及所述第一接收电极且所述第二电极对包括所述第二发射电极及所述第二接收电极。
13.根据权利要求10所述的电装置，其中以一方式选择所述电极对相对于彼此的布置，使得所述第一接收电极大致测量所述第一发射电极与所述第一接收电极之间的交变电场，且所述第二接收电极大致测量所述第二发射电极与所述第二接收电极之间的交变电场。
14.根据权利要求10所述的电装置，其中所述第一接收电极和所述第二接收电极被分别布置在所述第一发射电极和所述第二发射电极之间。
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